Neutronensterne und Schwarze Löcher

Hallo,

da bei einem Stern mit der 20-fachen Sonnenmasse nach einer Supernova genau die Grenze zwischen der Entstehung eines Neutronensterns und eines Schwarzen Lochs  getroffen wird, frage ich mich wie sich die beiden Objekte so stark unterscheiden. Haben sehr massereiche Neutronensterne nicht ähnliche Eigenschaften wie schwarze Löcher? Eigentlich müssten doch auch sie das Licht sehr stark anziehen und sie so fast unsichtbar für uns machen, da das Licht entweder stark zerstreut oder ganz absorbiert wird.
Außerdem müssten Neutronensterne mit der ~20-fachen Sonnenmasse nach einiger Zeit doch auch zu Schwarzen Löchern werden, da auch sie alle Materie in der Umgebung anziehen und ihre masse ständig vergrößern.

Zurück zu meiner eigentlichen Frage: Gibt es eine fließende Grenze zwischen Neutronensternen und Schwazen Löchern oder bedarf es einem "großen" Ereignis wie der Kollision zweier Neutronensterne bis daraus ein Schwarzes Loch entsteht?

Die Grenze zwischen schwarzem Loch und Neutronenstern ist nicht so fließend, wie du denkst. Immerhin unterscheiden sich beide Objekte radikal in ihren Eigenschaften:

• Neutronensterne kann man auch als gigantische Atomkerne ansehen, deren Gravitationskraft so stark ist, dass alle Protonen und Elektronen der ehemaligen Sternmaterie zueinanderhingezogen wird, so dass die gezwungenermaßen zu Neutronen "fusionieren". Neutronensterne rotieren recht schnell (im Sekundenbereich). Zeigt der Kegel um die Rotationsachse zufällig in Richtung der Erde, können wir deren periodische Radio-, sichtbare, oder Röntgenstrahlung ständig messen.
  
• Schwarze Löcher hingegen kann man nicht mehr als reguläre Materie ansehen: Die Gravitationskraft bewirkt hier das Zusammenziehen zu einer Singularität, um das der bekannte Ereignishorizont existiert, hinter dessen Grenze keine Zeit mehr vergeht. Schwarze Löcher können selten direkt, sondern meist nur mit indirekten Methoden detektiert werden, beispielsweise durch die beobachteten Auswirkungen ihrer Gravitation auf andere stellare Objekte in der Umgebung.

Allein von den physikalischen Eigenschaften und den entsprechenden Entedeckungsmethoden halte ich es für unwahrscheinlich, dass man bei der Beobachtung Schwarze Löcher bzw. Neutronensterne (alias Pulsare) verwechseln könnte.

Danke für die genaue Definition, dass ein schwarzes Loch "hinter" dem Ereignishorizont eine Singularität ist wusste ich auch schonmal...
Also, Singularität steht für unendlich große Masse und unendliche Verzerrung (oder sogar stilllegung?) der Zeit.
Nur ist es schwer sich vorzustellen wie eine Singularität mit unendlich hoher Dichte noch größer werden kann, es also immernoch Größenklassen der Schwarzen Löcher bestehen (also stimmt die Aussage mit der Unendlich hohen Masse vielleicht nicht?)
Ein Neutronenstern hat eine messbare Masse, da er wie der Name schon sagt nur aus Neutronen besteht. Allerdings verzerrt auch er stark das Licht und verlangsamt die Zeit, deswegen frage ich mich ob sehr massereiche Neutronensterne nicht auch völlig das Licht verschlucken und langsam immer mehr Ählichkeiten zu Schwarzen Löchern bekommen, bis sie womöglich ab einer bestimmten Masse, wie eine Sonne nach einer Supernova, in sich zusammen fallen und eine Sigularität entwickeln woraus dann ein Schwarzes Loch entsteht.
Bei der Verschmelzung zweier Neutronensterne soll ein Schwarzes Loch entstehen können, aber wie sieht es bei gleichmäßigem Wachstum durch beispielsweise Masseübertragung von einem anderen Stern aus, wird der Neutronenstern immer größer oder fällt er irgendwann zu einem Schwarzen Loch zusammen?

Ich möchte mich keinesfalls mit Karls Fachkenntnis messen, aber mir fiel die "unendliche Masse" auf. Die stimmt wirklich nicht, aber die hat auch nicht Karl ins Gespräch gebracht.
Was am Schwarzen Loch messbar ist, ist eigentlich nur die Masse, die einen klar definierten Wert hat, der gar nicht mal so gross sein muss, und der Drehimpuls.
Deshalb stelle ich mir den Übergang vom Neutronenstern zum Schwarzen Loch keinesfalls fliessend, sondern eher als gewaltigen Bums vor, weil auch die Materie des Neutronensterns dabei noch gewaltig komprimiert wird und dann wohl einen Todesschrei an Strahlung und oder Schwerkraftwellen abgeben wird.
Vielleicht weiss Karl auch dazu noch was zu berichten?

Ich ging von der Theoretischen Bezeichnung einer Singularität aus. In einer Doku hab ich das gehört und auch wikipedia sagt, dass eine Singularität eine unendlich hohe Masse besitzt.

Kann man sich sonst eigentlich etwas Massereicheres vorstellen als einen Neutronenstern? Ich meine da sind die Neutronen halt extrem verdichtet, wie gesagt wie ein riesiger atomkern.
Sind beim Schwarzen Loch dann vielleicht Quarks "auf einen Fleck" verdichtet? Oder was weiß man überhaupt genaueres über die Singularität?
Viele Fragen, ich weiß, aber vielleicht kennt ja jemand genauere Antworten

Es gibt tatsächlich so etwas wie "Quarksterne". Dies ist aber eine besondere Form von superdichten Neutronensternen: Ihnen kann zwar noch Strahlung entkommen, ihre Masse ist aber gleichzeitig so groß, dass die Gravitationskräfte auch die Neutronen in ihre Grundbestandteile - eben Quarks - gerissen werden. Dies ist also in der Tat eine Art Vorstufe zum schwarzen Loch, aber gehört definitiv von den Eigenschaften noch zum Neutronenstern.

http://www.raumfahrer.net/astronomie/sterne/quarksterne.shtml

Allgemein sind diese Objekte von ihren Eigenschaften so exotisch und gleichzeitig schwer direkt zu erforschen, dass Vieles was wir heute darüber meinen zu wissen, aus theoretischen Überlegungen her fußt. So gab es erst kürzlich selbst von Steven Hawking einige Revidierungen was seine früheren Gedanken zu Schwarzen Löchern angeht.

Mal einige Anmerkungen: Mit VIEL (oder gar unendlicher) Masse hat die ganze Angelegenheit nur am Rande zu tun: Schwarze Löcher können beliebig kleine und beliebig große Masse haben: Es hängt vor allem von ihrer Dichte ab.

Es ist aber nicht so einfach, ein Objekt so zusammenzupressen. Darum gibt es ja überhaupt Sterne: Sie werden heiß, Kernfusion, entartete Materie: Tod und Teufel wehrt sich gegen Schwarze Löcher.

Während seiner letzten Lebensphase stößt ein Stern den größten Teil seiner Masse in Form heftigster Sternwinde ab; von kleinen Sternen, die auf der Hauptreihe mal 8 Sonnenmassen oder weniger gewogen haben, bleibt deswegen nicht mehr viel übrig: Grade mal ein weißer Zwerg, der anfänglich noch seine abgestoßene Hülle, den planetarischen Nebel, bescheint.

Konnte durch seine größere Masse ein Stern im Inneren einen Eisenkern bilden, dann ist die finale Explosion etwas heftiger: eine Supernova vom Typ II. Was da dann übrig bleibt, ist aber auch hier nicht viel...1,5 oder 2 Sonnenmassen (oder vielleicht auch mal gar nichts??)
 
Gebilde über 1,4 Sonnenmasen, in denen keine Kernfusion mehr läuft, werden unweigerlich zu Neutronensternen (ca 20 km Durchmesser) zusammengepresst, dann liegt die Materie dicht an dicht. Man nennt dies die Chandrasekhar-Grenze, und es gibt hier eher KEINEN fließenden Übergang (ein weißer Zwerg von Sonnenmase ist etwa erdgroß.)

Auf der Oberfläche eines Neutronenstern herrscht eine nicht unerhebliche Gravitation; wir erinnern uns:

 Formel 1: Anziehung = G*M/R².
Oder auch:
 Formel 2: Fluchtgeschwindigkeit = Wurzel (2*G*M/R)

Das bremst natürlich auch das Licht aus, peu-a-peu. Ist der Neutronenstern jetzt größer, oder wird er es durch Anlagerung von weiterer Materie, dann gucken wir mal, was nach der obigen Formel geschieht: Bei der konstanten maximalen Dichte eines Neutronensterns ist die Masse proportional zu R³, also:

 Fluchtgschwindigkeit proportional zu R

Das bremst die Photonen immer stärker und irgendwann mal ist Schluss.
Ein Neutronenstern von 2 bis 3 Sonnenmassen (dicht an dicht) wird nun größer als dieser Schwarzschildradius

 Formel 2 umgestellt: R = 2*G*M/c²

Dann ist er weg vom Fenster! Aber das ist ein ganz sanfter Vorgang: keine Explosion oder so!

Die Wahrheit ist natürlich etwas komplizierter (Allgemeine Relativitätstheorie!). Außerdem vermutet man neuerdings, dass Neutronenmaterie nicht die dichteste Form der Materie ist, sondern dass sie sich unter gewissen Umständen zu Quarkmaterie verdichten kann. Dann würde unser Neutronenstern im Inneren doch noch dichter werden, sein Radius also abnehmen und er sogar noch früher ein Schwarzes Loch werden. Möglicherweise erfolgt auch dieser Übergang von Neutronen- zu Quarkmaterie nicht ganz gewaltlos...

Wo es aber wirklich kracht, ist der Übergang vom Weißen Zwerg zum Neutronenstern. Das kann man in der Tat in Doppelsternen beobachten, wo ein Partner ein weißer Zwerg ist (also kleiner als 1,4 Sonnenmassen), der nach und nach Materie seines Begleiters aufsaugt. Überschreitet er die Chandrasekhar-Grenze, dann gibt es eine Supernova vom Typ Ia - die stärkste Explosion, die wir überhaupt kennen....

Michael

Danke für deine Ausführungen Michael. Dass der Übergang von Neutronenstern zu Schwarzem Loch ein sanfter ist, ist mir in der Tat neu. Aber es leuchtet irgendwie ein, weil es ja nun darum geht, dass plötzlich die Photonen nicht mehr entkommen können. Aber es gibt ja dennoch auch Unterschiede zwischen Neutronenstern und Schwarzem Loch, die in der Relativistik zu suchen sind.

Ja, diese Unterschiede sind schon beträchtlich! Es gibt grafische Darstellungen, in denen die Raumverzerrungen angedeutet werden: Ein Trichter, in dem immer mehr Materie zusammenkommt, der dabei immer tiefer wird und dewegen - weil eben in einem gekrümmten Raum die Beziehung
 Oberfläche = 4 *pi * R²
nicht mehr gilt - gar nicht räumlich größer sondern sogar kleiner (!) wird, und der (also der Trichter) sich dann irgendwann mal schließt. Aber ich stelle mir das trotzdem immer als einen sehr kontinuierlichen Vorgang vor....

Wir müssen ja auch mal festhalten, dass Schwarze Löcher stellarer Masse offenbar eher selten sind (im Gegensatz zu den Monstern in Galaxienzentren). Meines Wissens ist Cygnus-X1 immer noch der einzige ziemlich (!) sichere Kandidat, obwohl dieser Artikel hier http://www.maths.soton.ac.uk/relativity/GRExplorer/bh/lmxb.htm von a handdful spricht, was an meiner Hand aber auch höchstens 5 wären....

Was wir sehen, sind ja immer nur sekundäre Effekte, wenn also Materie in Form einer Akkretionsscheibe sich um ein schwarzes Loch oder einen Neutronenstern sammelt und auf ihn, bzw in es stürzt. Wenn es aber keine Indikatoren für einen typischen (?) Neutronenstern, wie z.B. Radiopulse gibt, dann weiß man immer noch nix. Und außerdem.. Ist das nicht eigentlich ganz Wurscht ob Neutronenstern oder schwarzes Loch ??

Hallo,

Ein Neutronenstern kann im Gegensatz zu einem schwarzen Loch ein Pulsar sein, was glaub ich für die heutige Beobachtung der wichtigste Unterschied ist; der Neutronenstern ist rein theoretisch auch "direkt zugänglich", bei einem schwarzen Loch verhält es sich folgendermaßen: Wenn ein Objekt hineinfällt, dann sieht man als externer Beobachter, dass die Zeit auf diesem Objekt immer langsamer vergeht und das Objekt den Ereignishorizont erst nach unendlich langer Zeit erreicht (in der Praxis wäre irgendwann die vom Objekt emittierte Strahlung so stark rotverschoben, dass man es nicht mher sieht), d. h. eigentlich braucht es auch unendlich lange, bis aus einem Sternenrest ein schwarzes Loch wird.

Wenn man aber selbst in ein schwarzes Loch fällt, erreicht man den Ereignishorizont in endlicher Zeit. Im Inneren passiert dann etwas sehr Seltsames: Die Radialkoordinate wird zeitähnlich, d. h. die eigene Zukunft, in der Relativitätstheorie spricht man vom Vorwärtslichtkegel, liegt zwangsläufig weiter innen; dafür wird die Zeitkoordinate raumartig. Was dann bei der zentralen Singularität (die man auch in endlicher Zeit erreicht) passiert weiß niemand wirklich. Um das experimentell festzustellen müsste man leider selbst hineinfliegen. Bei einem nichtrotierenden schwarzen Loch (oder einem mit wenig Drehimpuls)  endet sowas mit ziemlicher Sicherheit tödlich, weil einen irgendwann die Gezeitenkräfte auseinanderreißen (je nach Größe kann das auch schon außerhalb des Ereignishorizonts passieren. Bei einem rotierenden hat man soviel ich weiß eine Ringsingularität, d. h. die Gezeitenkräfte können unter Umständen ertragbar bleiben, wenn man ins Zentrum fällt.

Alles absolut korrekt! Auf die Radiopulse habe ich als wichtigen Indikator auch hingewiesen. Aber leider ist noch niemand in ein schwarzes Loch gefallen. Ich habe keinen Zweifel an der Existenz dieser Löcher - allerdings: Es gibt nur die allertheoretischsten Untrsuchungen und Computersimulationen darüber. Ich glaube fest an die Allgemeine Relativitätstheorie aber wie die Realität aussieht, wissen wir einfach nicht... Wer hätte vor zehhn Jahren sowas Abstruses wie Dunkle Materie vermutet, von der Dunklen Energie will ich gar nicht reden... Oder vom Dunklen Lord

Ich war wohl nicht so auf dem aktuellen Stand: Hier eine Liste bzw Grafik von 17 vermuteten Schwarzen Löchern: http://mintaka.sdsu.edu/faculty/orosz/web/ ...

Offenbar nur noch fürs Protokoll: Die häufig gelesene Angabe, dass sich ein Neutronenstern zwischen 2 und 3 Sonnenmassen in ein schwarze Loch verwandelt, beruht nicht darauf, das er dann in seinen Schwarzschild-Radius passt. Das täte er erst bei ca 14 Sonnenmassen, wenn man mal die o.g. Formel mit der üblichen Neutronendichte ausrechnet. Sorry für mein Missverständnis..

Bei etwa 3 Sonnenmassen sagen aber die Formeln, dass der innere Druck des (entarteten) Neutronengases (Gas - naja!) schon nicht mehr ausreicht, um die Schwerkraft zu kompensieren. Das Schwarze Loch ist dann nur eine Folge der darauf stattfindenden Kontraktion. Die bei dieser Kontraktion frei werdende Energie wird aber wohl nicht nur im Schwarzen Loch selbst verschwinden.....

- Der Schwarzschildradius für ein Objekt von 3 Sonnenmassen beträgt ca 9000 km.
- Die frei werdende Gravitationsenergie bei einer Kontraktion von 3 Sonnenmassen auf 9000 km beträgt etwa 10⁴⁷ Joule. (G*M²/R)

Das ist 10 mal soviel, wie man üblicherweise für eine Supernova annimmt (ist ja auch plausibel, da die Energie einer Supernova ja vor allem aus der Kontraktion eines ca 1,5 Sonnenmassen großen Eisenkerns auf einen etwa 20 km großen Neutronenstern kommt...)

Aber wie schon häufiger gesagt: Noch nie war jemand dabei, als ein Schwarzes Loch entstand.

Dass die Zeit auf diesem Objekt immer langsamer vergeht und das Objekt den Ereignishorizont erst nach unendlich langer Zeit erreicht. In der Praxis wäre irgendwann die vom Objekt emittierte Strahlung so stark rotverschoben, dass man es nicht mher sieht.












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